形狀記憶合金摩擦復合隔振器的制作方法與工藝

本發明是分案申請，母案申請號2013101459528，母案申請日2013年4月25日，母案發明名稱形狀記憶合金摩擦復合隔振器。本發明屬于土木工程技術領域，特別涉及一種形狀記憶合金摩擦復合隔振器。

背景技術：
工程結構抗震是工程技術領域內必須研究的重點課題之一。強烈的地震帶來的沉痛災難有目共睹，大量的橋梁等建筑結構在強震作用下毀于一旦，從而造成巨大的經濟和社會損失。因此在土木結構設計中，必須對結構進行科學且嚴格的抗震設計。結構振動控制技術為抗震設計提供有效的設計方法和途徑。結構振動控制是通過吸振、隔振或者通過外部主動輸入能量來控制工程主體結構的振動水平，以免強烈的振動導致工程結構的破壞或損傷。在實際工程中，是通過在結構中裝設某種元件或者裝置來改變結構的動力學特性，從而達到結構振動控制的目的。傳統隔振技術作為主要的結構振動控制手段已經非常成熟，但目前工程上應用的隔振裝置仍存在的問題有：震后自復位性能差，比如摩擦阻尼器和軟剛阻尼器等；較難維護，比如粘滯阻尼器等；耐久性和抗腐蝕性差，比如橡膠隔振器的橡膠墊易老化。形狀記憶合金是一種新材料，具有獨特的形狀記憶效應和偽彈性(超彈性)。其中形狀記憶效應使該合金具有較強的耗能能力，而偽彈性使形狀記憶合金具有大變形自回復能力和一定的滯后耗能能力，并且具備優秀的耐腐蝕、抗疲勞性能，利用其構造的隔振器可以克服目前隔振器的上述缺陷。但是單純利用偽彈性形狀記憶合金構造阻尼器，顯得耗能能力不足。而綜合利用形狀記憶合金的偽彈性和形狀記憶效應會使結構參數設計過于復雜，且造價較高，而不便于工程應用。CN101575882A公開了一種混合型形狀記憶合金多維隔振器，主要由上法蘭、內筒、馬氏體形狀記憶合金耗能彈簧、奧氏體形狀記憶合金絞線、外筒、底盤、薄壁形狀記憶合金空心球和下法蘭組成。上述混合型形狀記憶合金多維隔振器利用了形狀記憶合金超彈性的自復位能力和形狀記憶效應的高阻尼特性來實現振動控制，但是對于垂向振動的應力以外筒內部放置的薄壁形狀記憶合金空心球作為載荷受體，其承受載荷范圍較小，卸載后復位能力差，一旦過載后其復位時間長，甚至出現難以復位的情形，這對于其安裝受體存在著極大的安全隱患；在水平方向上，采用馬氏體形狀記憶合金耗能彈簧單純作為耗能構件，其代價之高不言自明，很不經濟，相比而言，摩擦阻尼元件具有較強耗能能力，且結構簡單可靠，比較廉價，經濟適用；再有，對于振動情況比較復雜的情形，比如基礎伴隨一定轉動的情況，該裝置中外筒的傾斜會導致形狀記憶合金空心球垂直方向上受力局部集中，從而引起合金空心球發生不可回復的變形甚至破壞，增加了該裝置損壞的概率。因此，亟需設計出一種新的復合隔振器來解決上述問題。

技術實現要素：
本發明提供一種新的形狀記憶合金摩擦復合隔振器，其目的在于解決現有隔振器的自復位和自適應能力差、較難維護、耗能能力不足、抗疲勞和抗腐蝕性能差、隔振方向單一等問題。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種形狀記憶合金摩擦復合隔振器，包括連接上法蘭的內筒和連接下法蘭的外筒，所述內筒和外筒同軸，所述內筒和外筒間通過多層奧氏體形狀記憶合金絞線沿徑向連接，所述內筒下方設置可滑動內筒底座，所述可滑動內筒底座內部設置軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧和若干組徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧通過滑動摩擦副連接所述內筒，所述可滑動內筒底座下部通過自適應滑動摩擦副連接所述外筒。所述奧氏體形狀記憶合金絞線在內筒、外筒圓周上對稱布置六組或八組，每組設置為三層或五層，所述奧氏體形狀記憶合金絞線的端部通過絞線固定卡環固定。所述可滑動內筒底座內部設置內臺階，所述內臺階的內側面設置所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧的安裝座，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧前端設置可以在所述內臺階上移動的滑塊。所述可滑動內筒底座上部側面設置安裝所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧的安裝座內孔，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧前端設置部分伸出所述安裝座內孔的滑塊。所述滑塊前部設置上小下大的斜面，所述斜面設置凹弧，所述內筒下部外壁設置與所述斜面對應的倒角。所述滑動摩擦副包括所述滑塊前部的外半副和所述內筒外壁的內半副。所述自適應滑動摩擦副包括可滑動內筒底座底面設置的上半副和所述外筒底面上的下半副，所述上、下半副的接觸面設置為具有一定下凹的弧面。所述滑動摩擦副和所述自適應滑動摩擦副采用聚四氟乙烯制件。所述奧氏體形狀記憶合金絞線表面涂制隔氫層。所述內筒和外筒表面設置防銹層。本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器的上下兩端通過上法蘭和下法蘭以及配套的螺栓、螺母固定在需要進行隔振的結構中，確保所述內筒和外筒同軸，所述內筒和外筒間通過多層奧氏體形狀記憶合金絞線沿徑向連接，所述奧氏體形狀記憶合金絞線設置為三層或五層，跨度占到外筒高度的一半以上，每一層均包括所述內筒、外筒圓周上對稱布置的六組或者八組奧氏體形狀記憶合金絞線，可以保證應力載荷卸載后不同高度層面上多點同時做功，保證結構有足夠的復位能力和一定的耗能能力；所述奧氏體形狀記憶合金絞線端部設置絞線固定卡環，可以通過調節絞線固定卡環使奧氏體形狀記憶合金絞線初始應變位于形狀記憶合金應力誘發馬氏體相變應力—應變曲線平臺的中點，保證形狀記憶合金小變形的耗能能力和大變形的復位能力；所述可滑動內筒底座內部設置軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧，上端連接所述內筒，用于豎直方向振動狀態時耗能，并在在卸載后實現自復位。所述可滑動內筒底座內臺階的側面通過所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧連接滑塊，所述滑塊可在可滑動內筒底座內臺階上沿徑向滑動；這里也可以采用另一種安裝形式：所述可滑動內筒底座內部上側設置安裝所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧的安裝座內孔，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧前端設置部分伸出所述安裝座內孔的滑塊，所述安裝座內孔同時具備導軌和安裝座的作用，這兩種途徑均可以在卸載后輔助實現內筒的徑向準確復位。所述滑塊前部設置上小下大的斜面，所述斜面設置凹弧，便于適應于所述內筒，在豎直方向上具有一定的復位導向作用，所述內筒下部外壁設置的倒角，配合所述外半副和所述內半副形成滑動摩擦副，對于內筒的豎直方向振動能起到良好的耗能作用。所述可滑動內筒底座下部通過自適應滑動摩擦副連接所述外筒；所述自適應滑動摩擦副包括可滑動內筒底座底面設置的上半副和所述外筒底面上的下半副，所述上、下半副的接觸面形成一定下凹的弧面，可以自適應于本發明所處的受力狀態，從而降低由于基礎微小傾斜和垂直面內微小轉動造成的局部受力不均對結構可靠性和抗破壞性的影響；所述滑動摩擦副和所述自適應滑動摩擦副采用聚四氟乙烯制件，成本低廉，耗能效果佳。所述奧氏體形狀記憶合金絞線表面涂制隔氫層，有效隔離外界氫原子和氫化物對形狀記憶合金在時效過程中表面的相變與破壞,避免產生氫致表面收縮產生較大張應力所致時效裂紋，提高了本發明奧氏體形狀記憶合金絞線對外界環境的適應能力及其使用的持久性；所述內筒和外筒表面設置防銹層，防止環境因素導致銹蝕、損壞，提高其使用壽命。本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器的工作原理：當有水平方向基礎激勵時，所述內筒與外筒之間在水平面內有相對運動，此時所述奧氏體形狀記憶合金絞線總有部分伸長和部分縮短，在此運動過程中，由于形狀記憶合金加卸載形成的滯后效應耗散一定的能量，與此同時，所述可滑動內筒底座的自適應滑動摩擦副在水平運動中也將消耗大量的能量，從而起到水平方向上振動控制的目的，在振動結束后所述內筒在所述奧氏體形狀記憶合金絞線的作用下自行復位，由于所述奧氏體形狀記憶合金絞線沿圓周方向對稱布置，可以實現水平面內任意方位的振動控制和自復位；當有垂直方向的基礎激勵時，所述內筒相對于可滑動內筒底座的所述滑塊有垂直方向的相對運動，此時所述軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧和所述內筒下端側面與所述滑塊之間設置的滑動摩擦副起到雙重耗能作用，從而控制所述內筒的垂向振動，在振動結束后由所述奧氏體形狀記憶合金彈簧將所述內筒復位，同時所述可滑動內筒底座下部的自適應滑動摩擦副設計成一定的弧面，可降低基礎微小傾斜和轉動造成的影響。本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器綜合利用了奧氏體形狀記憶合金的大變形自復位能力和摩擦元件高耗能特點，可實現被控結構在水平面內多方向以及垂向的振動控制和自行復位的目的，并且自適應摩擦副的弧面設計可降低基礎微小傾斜和轉動帶來的受力集中現象，有效地提高結構的自適應性和可靠性。本發明可以實現結構橫向、垂向多方位的隔振功能，能夠應對隨機方向性的地震等載荷，具有很強普適性。本發明具有高效的耗能減振作用和可靠的自復位性能，且結構簡單可靠，節省昂貴材料，制造安裝方便，容易維護，且耐久性和抗腐蝕性能強，可減少被控結構和隔振器震后的修復工作。附圖說明下面結合附圖對本發明做進一步的說明：圖1是本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器的一種半剖結構示意圖；圖2是本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器的圖1的A-A半剖俯視圖；圖3是本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器滑塊的結構示意圖；圖4是本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器的另外一種半剖結構示意圖。具體實施方式具體實施例一如圖1、圖2和圖3所示，一種形狀記憶合金摩擦復合隔振器，包括連接上法蘭1的內筒2和連接下法蘭3的外筒4，所述內筒2和外筒4同軸，所述內筒2和外筒4間通過圓周上對稱布置的八組奧氏體形狀記憶合金絞線5實現沿徑向連接，每組所述奧氏體形狀記憶合金絞線5設置為五層，所述奧氏體形狀記憶合金絞線5的端部通過絞線固定卡環6固定；所述內筒2下方設置可滑動內筒底座7，所述可滑動內筒底座7內部設置軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧8和若干組徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9設置為四組或六組或八組均可，每組所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9通過滑動摩擦副10連接所述內筒2，所述可滑動內筒底座7下部通過自適應滑動摩擦副11連接所述外筒4。所述可滑動內筒底座7內部設置內臺階12，所述內臺階12的內側面設置所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9的安裝座，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9前端設置可以在所述內臺階12上移動的滑塊13；所述滑塊13前部設置上小下大的斜面14，所述斜面14設置凹弧，所述內筒2下部外壁設置與所述斜面14對應的倒角15。所述滑動摩擦副10包括所述滑塊13前部的外半副和所述內筒2外壁的內半副。所述自適應滑動摩擦副11包括可滑動內筒底座7底面設置的上半副和所述外筒4底面上的下半副，所述上、下半副的接觸面設置為具有一定下凹的弧面16。所述滑動摩擦副10和所述自適應滑動摩擦副11采用聚四氟乙烯制件。所述奧氏體形狀記憶合金絞線5表面涂制隔氫層。所述內筒2和外筒4表面設置防銹層。具體實施例二如圖4所示，與具體實施例一的區別在于：所述可滑動內筒底座7上部側面設置安裝所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9的安裝座內孔17，所述徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9前端設置部分伸出所述安裝座內孔17的滑塊13。具體實施例三與具體實施例一或二的區別在于：所述奧氏體形狀記憶合金絞線5在內筒2、外筒4圓周上對稱布置六組，每組所述奧氏體形狀記憶合金絞線5設置為五層。具體實施例四與具體實施例一或二的區別在于：所述奧氏體形狀記憶合金絞線5在內筒2、外筒4圓周上對稱布置六組或者八組，每組所述奧氏體形狀記憶合金絞線5設置為三層。上述實施例中，本發明所述形狀記憶合金摩擦復合隔振器的設計制作工藝：步驟1：對工程結構進行動力學分析，根據隔振性能要求來設計隔振器的具體參數；步驟2：將上述外筒4焊接在下法蘭3上，然后在所述外筒4底部粘結聚四氟乙烯自適應滑動摩擦副11的下半副；步驟3：在可滑動內筒底座7底面粘貼聚四氟乙烯自適應滑動摩擦副11的上半副，并將其安置在所述外筒4底部的自適應滑動摩擦副11的下半副之上，保證可滑動內筒底座7和外筒4同軸；步驟4：分別在滑塊13和內筒2底部側面粘結聚四氟乙烯制滑動摩擦副10的外半副和內半副；步驟5：在可滑動內筒底座7的內底面安裝軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧8，在其內臺階12或者安裝座內孔17上沿圓周均勻對稱安裝四組或六組或八組徑向奧氏體形狀記憶合金彈簧9和滑塊13配對組合；步驟6：將所述內筒2下端放置在所述可滑動內筒底座7上，使所述軸向奧氏體形狀記憶合金彈簧8與所述內筒2底面接觸，側面通過滑動摩擦副10和所述滑塊13接觸；步驟7：在所述內筒2和外筒4之間布設三層或者五層奧氏體形狀記憶合金絞線5，所述奧氏體形狀記憶合金絞線5采用表面涂制隔氫層的產品，并在每層在圓周上均勻對稱設置六組或者八組；步驟8：通過所述絞線固定卡環6調節奧氏體形狀記憶合金絞線5的預應變，使各組奧氏體形狀記憶合金絞線5的預應變都達到形狀記憶合金應力誘發馬氏體相變對應的應力—應變曲線平臺的中點；步驟9：將裝配好的本發明機構通過上法蘭1的安裝孔和下法蘭3的安裝孔安裝在需要隔振的結構中。采用上述結構以及工藝制備的本發明形狀記憶合金摩擦復合隔振器綜合利用了奧氏體形狀記憶合金的大變形自復位能力和摩擦元件高耗能特點，可實現被控結構在水平面內多方向以及垂向的振動控制和自行復位的目的，并且自適應摩擦副的弧面設計可降低基礎微小傾斜和轉動帶來的受力集中現象，有效地提高結構的自適應性和可靠性。本發明可以實現結構橫向、垂向多方位的隔振功能，能夠應對隨機方向性的地震等載荷，具有很強普適性。本發明具有高效的耗能減振作用和可靠的自復位性能，且結構簡單可靠，節省昂貴材料，制造安裝方便，容易維護，且耐久性和抗腐蝕性能強，可減少被控結構和隔振器震后的修復工作。